Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, gần như vô hạn mà con người đang tìm cách khai thác. Nhưng các công nghệ năng lượng mặt trời hiện tại chỉ thu được một phần nhỏ nguồn năng lượng này. Các tấm pin mặt trời, chỉ chuyển đổi khoảng 20% ánh sáng mặt trời chiếu vào thành điện năng có thể sử dụng. Hạn chế về khả năng chuyển đổi, một phần xuất phát từ chính Mặt trời.
Tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng thông qua hiệu ứng tương đối đơn giản. Các photon, là các hạt năng lượng ánh sáng, từ Mặt trời chiếu vào, va chạm với vật liệu bán dẫn, thường là silicon. Khi va chạm, photon truyền năng lượng của mình cho electron trong chất bán dẫn, làm cho electron bị bật ra và chuyển động. Các electron chuyển động được cung cấp năng lượng tạo thành dòng điện.
Vấn đề là không phải tất cả photon đều giống nhau. Chúng mang năng lượng khác nhau tùy thuộc bước sóng của chúng. Các photon hồng ngoại có năng lượng thấp, không đủ để làm bật electron. Thay vào đó, chúng đi xuyên qua hoặc bị hấp thụ dưới dạng nhiệt, lãng phí. Còn các photon ánh sáng xanh có năng lượng cao hơn mức cần thiết để giải phóng electron. Năng lượng dư thừa thải ra dưới dạng nhiệt, cũng lãng phí.
Sự không phù hợp cơ bản giữa nguồn cung năng lượng và ngưỡng electron của chất bán dẫn tạo ra giới hạn cứng về hiệu suất, gọi là giới hạn Shockley-Queisser. Đối với tấm pin mặt trời đơn lớp tiêu chuẩn, ngay cả với kỹ thuật hoàn hảo, giới hạn đó chỉ khoảng 33%. Đó là lý do tại sao ngay cả tấm pin mặt trời tốt nhất hiện có trên thị trường, cũng không vượt quá hiệu suất chuyển đổi 25%.
Trong điều kiện bình thường, một photon kích thích một electron, tạo ra một đơn vị năng lượng có thể sử dụng, gọi là exciton. Ngay cả khi một photon có năng lượng nhiều hơn mức cần thiết chiếu vào tấm pin thì chỉ có một exciton được tạo ra. Phần năng lượng còn lại mất đi dưới dạng nhiệt. Vì vậy, luôn luôn là một photon tạo ra một exciton. Điều này từ trước đến nay luôn được coi là hiển nhiên. Nhưng nếu không phải vậy thì sao?
Đây là cơ sở cho nghiên cứu của các nhà khoa học tại Đại học Kyushu (Nhât Bản) thực hiện với các cộng tác viên tại Đại học Johannes Gutenberg (Đức). Cách tiếp cận của nhóm, tập trung vào hiện tượng gọi là phân tách đơn. Trong phân tách đơn, một exciton năng lượng cao tách thành hai exciton năng lượng thấp hơn. Thay vì mỗi photon tạo ra một exciton, quá trình này cho phép một photon năng lượng cao tạo ra hai exciton năng lượng thấp hơn.
Nhóm nghiên cứu có hai chiến lược chính để vượt qua giới hạn này. Thứ nhất là chuyển đổi các photon hồng ngoại năng lượng thấp thành các photon khả kiến có năng lượng cao hơn. Thứ hai là sử dụng sự phân tách đơn để tạo ra hai exciton từ một photon duy nhất. Về lý thuyết, điều này có thể làm tăng gấp đôi số lượng hạt mang điện có thể sử dụng được.
Tuy nhiên, trên thực tế, quá trình này có một thách thức lớn: việc thu giữ các exciton bổ sung vô cùng khó khăn. Ý tưởng phân tách đơn không phải là mới. Vấn đề luôn nằm ở việc thu giữ. Trước khi hai exciton mới có thể tách ra và đưa vào sử dụng, chúng thường bị chiếm giữ bởi các cơ chế cạnh tranh, chẳng hạn như truyền năng lượng cộng hưởng Förster (FRET), trong đó năng lượng bị lấy mất trước khi có thể sử dụng.
Đây là điểm đột phá của nhóm nghiên cứu. Giải pháp của họ là bộ phát “đảo chiều-spin” dựa trên molybdenum, hệ thống thu giữ có chọn lọc các exciton bị mất này. Trong quá trình hấp thụ và phát xạ, một electron trong phức hợp sẽ đảo chiều spin của nó. Đặc tính này làm cho nó đặc biệt phù hợp để tiếp nhận các exciton được tạo ra bởi sự phân tách đơn, trong khi bỏ qua cơ chế FRET cạnh tranh.
Kết quả là hiệu suất lượng tử có thể đo được khoảng 130%. Điều này có nghĩa, trung bình, mỗi photon được hấp thụ, có 1,3 exciton thu hoạch thành công. Vậy đây có phải là hiệu suất chuyển đổi năng lượng 130% đối với pin mặt trời? Chắc chắn là không. Điều mà nhóm nghiên cứu đạt được là hiệu suất lượng tử 130%, thước đo không phải về năng lượng, mà là về số lượng hạt tải điện trên mỗi photon.
Có thể bạn sẽ hỏi, vậy bước đột phá là gì? Nói một cách đơn giản, tấm pin mặt trời không hấp thụ ánh sáng mặt trời nhiều hơn bình thường. Thay vào đó, chúng trích xuất nhiều hạt mang điện hữu ích hơn từ cùng một lượng ánh sáng hấp thụ, thu hồi năng lượng mà thông thường sẽ mất đi dưới dạng nhiệt từ các photon năng lượng cao. Khi định nghĩa “130%” đã rõ ràng, việc đánh giá đúng những gì các nhà nghiên cứu đạt được trở nên dễ dàng hơn.
Họ cho thấy một cách khả thi để thu giữ và sử dụng các exciton mà trước đây không thể tiếp cận. Bằng cách xử lý tốt các photon năng lượng cao và giảm tổn thất năng lượng, nghiên cứu đã giải quyết một trong những điểm yếu cốt lõi trong chuyển đổi năng lượng mặt trời. Các photon ánh sáng xanh, trước đây giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt, giờ đây có thể tách thành hai exciton hữu ích, giảm tổn thất nhiệt và tăng dòng điện.
Cần nhấn mạnh rằng, đây chỉ là các nghiên cứu thử nghiệm ban đầu trong phòng thí nghiệm. Các bước tiếp theo là chuyển đổi dung dịch lỏng sử dụng trong nghiên cứu thành dạng rắn, có thể gắn vào tấm pin mặt trời một cách tin cậy và hiệu quả, điều mà chính các nhà nghiên cứu thừa nhận sẽ là thách thức khá lớn. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí American Chemical Society.
